利用自制電泳裝置模擬電泳實驗*

郭琪琦 沈 藝 朱立偉 趙盼盼

（1廣東省深圳市第二實驗學(xué)校 廣東深圳 518021 2廣東省深圳市坪山新區(qū)同心外國語學(xué)校 廣東深圳 518118 3廣東省深圳科學(xué)高中 廣東深圳 518129 4廣東省深圳市橫崗高級中學(xué) 廣東深圳 518115）

電泳技術(shù)作為生化實驗的重要技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于分離分析蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子。但由于電泳裝置和相關(guān)試劑的價格較高，且高中階段使用頻率不高，學(xué)校一般不開展電泳實驗。在國外相關(guān)資料［1］的啟發(fā)下，本實驗通過自制電泳裝置和模擬電泳，解決學(xué)生無法親自動手進(jìn)行電泳實驗的問題。

1 自制電泳裝置

常規(guī)的電泳裝置一般由直流電源和電泳槽組成，電泳槽又包括緩沖液槽、電泳介質(zhì)支架（例如“凝膠托盤”）、點樣孔模具（俗稱“梳子”） 、電極等。自制電泳裝置時，直流電源可由串聯(lián)電池替代，電泳槽則需利用生活中常見的材料自行制作再組裝。

1.1 制作材料 實驗室提供器材：9 V電池若干、鱷魚夾導(dǎo)線、電極（或錫箔）。

自備材料：記號筆、剪刀、防水膠帶、塑料盒2個、用于做“梳子”的自選材料。

1.2 制作過程

1.2.1 電源的組裝 電泳時需要一個穩(wěn)定的直流電源，根據(jù)凝膠的大小，電源的電壓可能需要達(dá)到30～150 V以上。根據(jù)需要準(zhǔn)備相應(yīng)數(shù)量（一般為奇數(shù)）的電池，將電池的正、負(fù)極接頭相互連接串聯(lián)起來，再連接上導(dǎo)線，電源即組裝完成。

1.2.2 緩沖液槽和凝膠托盤的制作 準(zhǔn)備 2個大小不同的長方形塑料盒，小塑料盒應(yīng)能放入大塑料盒中，且留有一定的空隙。大塑料盒用以充當(dāng)緩沖液槽，小塑料盒用于制作凝膠托盤。凝膠托盤的制作過程如圖1所示。

圖1 凝膠托盤制作過程

1.2.3 梳子的制作 “梳子”是點樣孔模具的俗稱，制作凝膠時，將其插入凝膠托盤中，當(dāng)凝膠固化時就能形成點樣孔。

梳子長度應(yīng)比凝膠托盤寬度至少長2 cm，梳齒之間的間隔在1 cm左右，每個梳齒的直徑大約為3～4 mm（若梳齒是正方形或矩形時為等效面積），長度要接近凝膠托盤的深度?？梢允褂蒙钪谐Ｒ姷牟牧现谱鳌笆嶙印?，例如硬紙板和鋁箔、一次性筷子和釘子等；也可以直接用日常使用的寬齒梳替代“梳子”。選擇自制材料時，應(yīng)注意材料表面盡可能平滑，以免在拔出梳子時弄破凝膠，破壞點樣孔。

1.2.4 組裝電泳裝置 電泳時，電泳槽要與電源相連，因此電泳槽要安裝電極。可使用現(xiàn)成的電極，例如碳棒、銅片等；若無現(xiàn)成電極，也可在緩沖液槽（即大塑料盒）的兩端包裹鋁箔作為電極。將凝膠托盤放入緩沖液槽時，要注意其兩端與相應(yīng)電極之間應(yīng)保持至少幾毫米的距離，不可直接接觸。電泳時將電源導(dǎo)線連接到相應(yīng)電極上即可。

2 模擬電泳實驗

2.1 實驗原理 由于影響電泳的因素很多，在分離DNA或蛋白質(zhì)時，需對樣品進(jìn)行不同處理，配制不同的凝膠和緩沖液，采用不同的染色技術(shù)。實驗不僅過程復(fù)雜，且需要的試劑較多，價格不菲。

模擬實驗用大分子染料模擬DNA或蛋白質(zhì)分子。大分子染料在真實的電泳實驗中主要充當(dāng)指示劑，例如常用的指示劑溴酚藍(lán)，在0.6%、1.0%、1.4%和2.0%瓊脂糖凝膠電泳中，其遷移率分別與1 Kb、0.6 Kb、0.2 Kb和0.15 Kb的雙鏈線性DNA片段大致相同，因此可根據(jù)電泳中形成的指示帶預(yù)測電泳的速度和位置。在模擬實驗中，以分子量不同的染料及染料混合液為樣品進(jìn)行電泳，最終可觀察到處于不同位置的條帶，從而模擬DNA或蛋白質(zhì)分子的分離。

綜合染料的分子量、酸堿性、水溶性及價格因素，本實驗選擇堿性染料甲基紫、亞甲基藍(lán)作為樣品，使用普通瓊脂和自制緩沖溶液，在自制電泳裝置中進(jìn)行分離。

2.2 實驗器材與試劑

實驗器材：500 mL燒杯（或飲料瓶）、250 mL燒杯（或玻璃杯）、100 mL量筒、藥匙（或茶匙）、玻璃棒、滴管、點樣板（或薄膜）、牙簽、尺子、微波爐、自制電泳裝置。

實驗試劑：NaHCO3（小蘇打）、蒸餾水（或自來水）、瓊脂粉、甲基紫、亞甲基藍(lán)、甘油。

2.3 實驗過程 模擬實驗過程與真實電泳過程相似，借此過程可幫助學(xué)生理解電泳原理，初步了解電泳實驗操作。自制裝置的實驗過程見圖2。具體過程如表1所示。

圖2 自制電泳裝置

表1 模擬實驗過程

2.4 實驗結(jié)果 經(jīng)過30 min的電泳，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 實驗結(jié)果

結(jié)果表明，大分子染料確實在自制的電泳裝置中發(fā)生了遷移，可以從色帶的遷移位置比較染料分子量的大小，混合染料也能夠較好地分離。大分子染料確實能模擬DNA或蛋白質(zhì)分子，而自制的電泳裝置也確實能進(jìn)行電泳實驗。

3 本實驗在中學(xué)課程開發(fā)中的應(yīng)用

3.1 填補(bǔ)國內(nèi)教材空白 國內(nèi)高中生物學(xué)教材對電泳技術(shù)及其應(yīng)用有一定的介紹，例如選修1《生物技術(shù)實踐》中課題“血紅蛋白的提取和分離”，詳細(xì)介紹了電泳技術(shù)相關(guān)原理，并將利用電泳技術(shù)鑒定血紅蛋白作為選做實驗，寫明“有條件的學(xué)校，可以參考生物化學(xué)實驗的有關(guān)書籍，嘗試SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳的操作”。學(xué)生一方面對教材中的電泳結(jié)果圖感到好奇，另一方面卻沒有機(jī)會通過實驗操作直觀地了解電泳過程，對理解電泳技術(shù)的原理也存在一定困難。本實驗?zāi)転閷W(xué)生提供親自動手進(jìn)行電泳實驗的機(jī)會，填補(bǔ)了現(xiàn)行高中教材中關(guān)于電泳實驗的空白。

3.2 整合為STEAM課程 本實驗內(nèi)容特別適合整合為基于項目學(xué)習(xí)的STEAM課程模式。教學(xué)中可圍繞自制電泳裝置和模擬實驗的項目組織課程，讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計、動手操作，綜合應(yīng)用生物、化學(xué)、物理等學(xué)科知識（S），與 STEAM學(xué)科的技術(shù)（T）、工程（E）、藝術(shù)（A）、數(shù)學(xué)（M）這些跨學(xué)科對接融合。在這種模式下要求學(xué)生參與、合作、創(chuàng)新、分享，像工程師一樣做產(chǎn)品，像科學(xué)家一樣做研究，因此能更好地培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實踐能力。

3.3 運(yùn)用靈活多樣的教學(xué)形式 本自制實驗裝置雖為面向高中學(xué)生的動手操作，但由于其材料的易獲得性、過程的易操作性，成人、手工愛好者、對生物學(xué)實驗有興趣者均可以利用現(xiàn)有的家庭條件嘗試該操作；教師也可以參考本實驗，設(shè)計針對高中學(xué)生的實驗室教學(xué)，甚至一系列相關(guān)的社團(tuán)活動。

4 教學(xué)建議

結(jié)合國內(nèi)高中教學(xué)的實際情況，在應(yīng)用這一實驗進(jìn)行實際教學(xué)時，應(yīng)注意如下幾點：

4.1 結(jié)合本地情況尋找替代材料 本實驗用生活常見物品代替相關(guān)電泳設(shè)備，成本低廉，取材方便，操作簡單，能夠滿足課程標(biāo)準(zhǔn)對于電泳技術(shù)的要求，既適合在家庭環(huán)境中操作，也適合在我國特別是中西部貧困地區(qū)中學(xué)推廣，是一項具有實際意義的實驗技術(shù)，有利于學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)的提高。模擬電泳實驗使用甲基紫、亞甲藍(lán)等染料，較真正電泳實驗中使用的染料安全簡便，但考慮價格和獲取途徑等實際因素，可以嘗試用其他更常見的染料代替。

4.2 操作中的注意事項 雖然是模擬電泳實驗，但在實驗操作中仍然要遵循電泳實驗的相關(guān)操作要求，例如凝膠要均勻冷卻，防止倒膠過程中產(chǎn)生氣泡，染料在樣品緩沖液中溶解完全，控制加樣量和電泳時間等。

4.3 模擬實驗與真實實驗關(guān)系的處理 在高中階段，電泳技術(shù)對于學(xué)生來說并不容易理解，而實際進(jìn)行電泳實驗又難以操作，因而模擬電泳實驗?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生更好地理解電泳技術(shù)的原理，掌握電泳實驗的操作流程，提高學(xué)習(xí)興趣。但模擬實驗并不等價于真實實驗，教學(xué)過程中一定要強(qiáng)調(diào)二者的區(qū)別。在實驗中，需要重點說明染料模擬電泳與DNA、蛋白質(zhì)電泳的不同，同時結(jié)合化學(xué)、物理等其他學(xué)科知識，對于實驗過程中的不同點進(jìn)行介紹或演示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以便更好地幫助學(xué)生理解電泳技術(shù)。

主要參考文獻(xiàn)

［1］Robert Bruce Thompson， BarbaraFritchman Thompson.DIY science:illustrated guide to home biology experiments:all lab,no lecture.Maker Media,2012.